专利名称：包含聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的填充用纤维产品的制作方法通常被称作“聚对苯二甲酸亚烷基酯”的聚对苯二甲酸亚乙基酯(“2GT”)和聚对苯二甲酸亚丁基酯(“4GT”)是常见的商品聚酯。聚对苯二甲酸亚烷基酯具有优异的物理和化学性能，特别是化学、热和光稳定性、高熔点和高强度。因此它们被广泛用于树脂、薄膜和纤维，包括短纤维和包含这种短纤维的填充用纤维。由于近年来对生产聚合物主链单体成分之一的1，3-丙二醇(PDO)的低成本途径的开发，使得聚对苯二甲酸亚丙基酯(“3GT”)作为纤维在商业上日益受到重视。由于3GT在大气压下的分散染色性、低弯曲模量、弹性回复和回弹，长期以来一直希望它是纤维的形式。在许多最终应用如填充用纤维应用中，短纤维比连续长丝更为优选。与用于填充用纤维的先有短纤维相比，适合于填充用纤维的短纤维的制造具有许多潜在的优势和一些具体问题。挑战在于获得各种性能之间的平衡，包括获得令人满意的纤维卷曲和足够的纤维韧性(断裂强度和耐磨性)，同时保持纤维的柔软度以及低的纤维与纤维之间的摩擦。所述各种性能之间的平衡对于实现下游操作如梳理或扯松同时最终提供符合需要的消费品而言是必需的。在广泛用于填充用纤维的短纤维2GT的情况下，纤维生产者通过在聚合化学方面的改进和优化纤维生产解决了这些问题。这导致了修改的适于生产高性能2GT纤维的改进的纺丝和拉伸工艺。需要改进的3GT短纤维工艺，所述工艺产生在采用梳理和扯松工艺的工厂中具有适当的加工性的纤维。在这几年中所找到的对于2GT或4GT纤维的上述问题的解决办法通常不能直接转用于3GT纤维，因为在3GT聚合物化学特性方面具有固有的独特性质。将短纤维制成最终用途的填充用纤维的下游操作通常是在常规短纤维梳理机或扯松机上进行的。经过梳理的网状物和絮垫通常交叉重叠达到所需的基本重量和/或厚度，任选经粘合，然后作为填充材料直接塞进所需的最终用途产品中。在用于睡眠舒适性的枕头的情况下，将絮垫(可以通过结合树脂或低熔点纤维并使絮垫通过被加热的烘箱来任选对其进行粘合)切断并填充进枕套中，一般填充量为12-24盎司。如上所述，该工艺包括几个步骤，其中多个步骤是以高速进行的，纤维经受大量的磨损，要求纤维具有拉伸特性。例如，最初步骤是纤维开松，该步骤常常通过使纤维在自动传送带上翻滚来进行，所述自动传送带具有数排尖头的钢齿，以便撕开和分离大团的纤维。然后将开松的纤维通过强制风传送，之后典型地是使之通过架空的管网或送料槽。送料槽送料至梳理机或扯松机，梳理机或扯松机是通过辊的梳理作用来分离纤维的设备，所述辊具有高密度的由钢丝制成的齿。纤维必需具有一组严格的物理特性以使它们在制造适合作为填充用纤维的材料时能有效通过上述工艺(最小的纤维损害和停机)。一个最重要的参数是纤维强度(定义为强度(tenacity)或者断裂强度的克/旦)。在2GT的情况下，对于大范围的纤维旦尼尔数都可以获得4-7克/旦(gpd)的纤维强度。在3GT的情况下，一般强度低于3克/旦。这些仅具有几克断裂强度的纤维对于工业加工而言是不符合需要的。需要强度大于3克/旦的3GT短纤维，特别是用于填充用短纤维的范围的低旦尼尔一端的纤维(2.0-4.5dpf)。此外，卷缩(crimp take-up)(由机械卷曲加工所赋予的纤维弹性)对于填充用短纤维(短纤维的加工和所得填充用纤维产品的性能)是一个重要的特性。其它的纤维改性通常包括应用涂层来修改纤维表面特性，以增加结构的膨松或再抖松性(refluffability)，并降低纤维之间的摩擦。这些涂层通常被称作“光滑剂(slickeners)”。这样的涂层使得纤维中的运动更容易，如美国专利3,454,422和4,725,635号所述。由于纤维互相之间将更易滑动，因而所述涂层还增加组装的总的偏转(deflection)。纤维卷曲还影响三维结构的承重性能。纤维卷曲可以是两维或三维的，通常通过机械方式来产生，卷曲也可以是由于纤维结构或组成不同而本身所固有的。假定纤维重量恒定，纤维尺寸、几何形状和表面特性相近，则通常低纤维卷曲(即高幅度、低频率卷曲)将产生高膨松(即高有效体积、低密度三维结构，该结构由于卷曲后纤维的交缠(interlock)程度较低因而在给定标准负荷下易于变形)。相反地，高卷曲(低幅度、高频率)通常产生高密度和减少膨松的三维结构。这样的高密度三维结构由于结构中纤维交缠程度较高，因而当被施予标准负荷时不会轻易变形。在一般的填充物品中，所应用的负荷(即产品被设计用来承受的载荷)足够高以引起结构中纤维的相对移动。但是，所述负荷不足以引起个纤维的塑性变形。卷曲程度也影响纤维从压缩状态回复的能力。低卷曲程度的纤维不如高卷曲程度的纤维容易回复，这是因为低卷曲纤维缺少高卷曲纤维所具有的“弹性”。另一方面，低卷曲纤维易于再抖松，因为纤维交缠的量较少。如上所述，填充物品的使用者通常有承重和膨松两方面的要求。这两种性能都极大地受卷曲频率的影响，但是是以相反并且相互冲突的两个方向受到影响。为了得到高膨松，需要使用低卷曲。相反，为了得到高承重，需要使用高卷曲。可以修改的其它变量包括改变纤维的机械性能、调节纤维旦数和/或利用纤维横截面。
对于填充用短纤维的最终应用，产品必需满足几个对于几乎所有商业应用都是必需的标准。有对于高体积的需要、特别是对于有效和抵抗体积的需要。有效体积是指填充材料充分地并且有效地填满它被放置于其中的空间。据说具有高水平有效体积的材料有良好的“填充能力”，因为它们具有向被填充物品提供高度冠状(crown)或鼓起的外观的能力。抵抗体积在此也被称为“承重体积”，是指填充材料在被施予压力的情况下抵抗变形。用抵抗体积的填充物填充的结构在负荷状态下将不具有垫状感觉，并且甚至在高压力下将提供一些回弹承重的措施。抵抗体积填充物是需要的，因为填充物品提供了良好的承重体积和高度的保温。
回弹性即从张力或压缩状态回复的能力是填充材料的另一个重要特性。具有高回弹性的材料弹性好，显示出从张力或压缩状态回复的显著程度，同时低回弹性材料的弹性较低。回弹性和承重性对用于如枕头(枕头必须屈服为顺应任何向其提供压缩的物件的形状，同时向物件提供适当的支撑)等产品的材料而言是特别重要的。此外，一旦移开物件，则枕头必须从压缩状态回复，并准备顺应和支撑随后放置于其上的物件。最后，随着回弹增加，纤维的工业加工性提高。
传统上在许多应用中将羽绒填充材料用在产品中以提供除柔软性和理想手感之外的缓冲和保温。但是，传统填充材料的的主要缺点包括它的高成本和通常发现于羽绒材料的过敏原。此外，因为羽绒填充材料不防水，所以它吸水变重，当暴露在湿环境中时提供较小的缓冲支撑。
制造和完善合成填充用纤维材料的技术致力于解决这些问题和其它问题。在这一领域的最终目标是生产出具有与羽绒相同的回弹性、舒适性和可再抖松的合成填充用纤维，但同时提供两个超过羽绒的优点减少过敏原的和防水的填充物。一个主要的进步是引进了由聚酯制成的合成填充用纤维材料。2GT长期被用于生产具有一些羽绒品质的填充用纤维材料。多年来，许多研究都通过效仿羽绒的形态或者寻找接近其性能的途径来致力于产生接近于羽绒的聚酯填充用纤维材料。在Marcus的美国专利4,794,038和5,851,665、Broaddus的美国专利4,836,763以及Samuelson的美国专利4,850,847中描述了制造新结构或纤维形状的方法。但是由这些聚酯制成的合成聚酯具有缺点，即2GT聚酯纤维具有固有的刚性，且具有高的纤维之间的摩擦。后一个特性(该特性甚至对于经过可固化硅氧烷整理剂处理的纤维亦如此)导致纤维由于缠结和磨擦变得纠结和缠到一起。推测这些现象致使光滑剂涂层在纤维寿命期间内遭到损害或者被除去。
将在填充用纤维应用中的纤维结合以形成三维(“3D”)承重结构。这种三维结构的负荷偏转特性受到三个关键因素的影响形成这种结构的纤维的特性；用于制造三维结构的制造技术；以及包围所述三维结构的密封物。而且，研究表明此类结构的偏转是因为结构中各纤维的移动。在这种结构中的纤维移动取决于各纤维的卷曲量(影响交缠的量)、机械特性(即弯矩和杨氏模量)、纤维回复性(纤维可被偏转的容易程度以及它们从偏转回复的容易程度)、纤维尺寸和几何形状、以及纤维的纤维间摩擦特性(纤维互相滑动的容易程度)。
虽然3GT的商业可获得性是相对较新的，但对其的研究已经进行了相当长的一段时间。例如，美国专利3,584,103号描述了一种对具有不对称双折射的3GT长丝进行熔纺的方法。通过如下步骤制备3GT的螺旋状卷曲纺织纤维对长丝进行熔纺，使横截面上具有不对称双折射；拉伸该长丝以定向其分子；将拉伸后的长丝在保持定长的情况下于100-190℃进行热处理；在高于45℃，优选约140℃的松弛条件下对经热处理的长丝加热2-10分钟，以产生卷曲。所有实施例都证明在140℃松弛纤维。
JP 11-107081描述了3GT复丝未拉伸纤维在低于150℃，优选110-150℃的温度、为时0.2-0.8秒，优选0.3-0.6秒的松弛，并随后进行复丝的假捻。
EP 1 016 741描述了使用磷添加剂和某些3GT聚合物质量限制以得到改进的白度、熔融稳定性和纺丝稳定性。将纺丝和拉伸之后制得的长丝和短纤在90-200℃进行热处理。
JP 11-189938叙述了制造3GT短纤维(3-200mm)，并描述了在100-160℃、为时0.01-90分钟的湿热处理步骤，或者在100-300℃、为时0.01-20分钟的干热处理步骤。在加工实施例1中，在260℃以1800m/分钟的纺纱卷绕(yarn-spinning take-up)速度对3GT进行纺丝。拉伸之后，将纤维用液体浴在150℃进行5分钟的定长热处理。然后，将其卷曲并切断。加工实施例2对拉伸后的纤维应用在200℃、为时3分钟的干热处理。
英国专利说明书1 254 826号描述了包括3GT长丝和短纤的聚亚烷基长丝、短纤和纱线。焦点集中在地毯绒和填充用纤维上。实施例IV描述了用实施例I的方法制备3GT长丝。实施例V描述了用实施例I的方法制造3GT短纤维。实施例I描述了将长丝束通入填塞箱式卷曲机中，通过在大约150℃的温度下经18分钟来对丝束形式的经卷曲产品进行热定形，并将热定形丝束切成6英寸的短纤长度。实施例VII描述了包含3GT的3GT短填充用纤维絮垫的测试，所述3GT短填充用纤维絮垫是按照实施例IV的方法制备的。
所有上述文献都通过应用被完整地结合在本文以作参考。
发明简述本发明涉及制造包含聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的网状物或絮垫的方法，该方法包括(a)提供聚对苯二甲酸亚丙基酯；(b)在245-285℃的温度下将熔融聚对苯二甲酸亚丙基酯熔纺成长丝；(c)将长丝骤冷；(d)拉伸骤冷后的长丝；(e)在8-30个卷曲/英寸(3-12个卷曲/cm)的卷曲水平用机械卷曲机将经拉伸的长丝卷曲；(f)在50-130℃的温度下对卷曲后的长丝进行松弛；和(g)将经松弛的长丝切成长度约0.2-6英寸(约0.5-约15cm)的短纤维；(h)将短纤维扯松或梳理以形成网状物；和(i)任选将网状物交叉重叠以形成絮垫。
本发明还涉及制造包含聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的填充用纤维产品的方法，该方法包括(a)提供聚对苯二甲酸亚丙基酯；(b)在245-285℃的温度下将熔融聚对苯二甲酸亚丙基酯熔纺成长丝；(c)将长丝骤冷；(d)拉伸骤冷后的长丝；(e)在8-30个卷曲/英寸(3-12个卷曲/cm)的卷曲水平用机械卷曲机将经拉伸的长丝卷曲；(f)在50-130℃的温度下对卷曲后的长丝进行松弛；(g)将经松弛的长丝切成长度约0.2-6英寸(约0.5-约15cm)的短纤维；(h)将短纤维扯松或梳理以形成网状物；(i)任选将网状物交叉重叠以形成絮垫；和(i)将网状物或絮垫填充进填充用纤维产品。
优选所述短纤维为3-15dpf，更优选3-9dpf。
优选所述短纤维的长度为约0.5-约3英寸(约1.3-约7.6cm)。
在一个优选实施方案中，进行所述交叉重叠。
在一个优选实施方案中，将所述网状物粘合在一起。优选所述粘合选自喷洒粘合法、热粘合法和超声波粘合法。
在一个优选实施方案中，将低粘合温度短纤维与所述短纤维混合以增加粘合性。
在一个优选实施方案中，将选自棉、聚对苯二甲酸亚乙基酯、尼龙、丙烯酸酯和聚对苯二甲酸亚丁基酯纤维的纤维与所述短纤维混合。
优选通过在无约束条件下对卷曲后的纤维进行加热来实施松弛。
优选所述方法在无热处理步骤下实施。
本发明还涉及制备具有符合需要的卷缩的聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的方法，该方法包括(a)测定旦尼尔和卷缩之间的关系；(b)制造具有基于所述测定而选择的旦尼尔的短纤维。
在发明详述、附图和所附权利要求书中将对本发明作更详细的描述。
附图(临时)简述

图1是一个散点图，表示本发明纤维的卷缩和旦尼尔之间的关系，还表明在先有技术中已知的纤维不具备这种关系。
图2是一个散点图，绘制出了本发明纤维和商品2GT填充用纤维的承重体积相对于短纤垫摩擦指数的关系。
图3是一个散点图，绘制出了本发明纤维和商品2GT填充用纤维的承重体积相对于卷缩的关系。
图4是表示本发明纤维和商品2GT填充用纤维的压缩曲线的图。
发明详述本发明涉及一种制备适合于填充用纤维用途的经拉伸、卷曲的短聚对苯二甲酸亚丙基酯纤维的方法以及从所得纤维制造填充用纤维的方法，还涉及所得纤维、网状物、絮垫和其它产品。
在本发明中有用的聚对苯二甲酸亚丙基酯可以通过已知的制造技术(间歇、连续等)进行生产，如下列文献中所述美国专利5,015,789、5,276,201、5,284,979、5,334,778、5,364,984、5,364,987、5,391,263、5,434,239、5,510,454、5,504,122、5,532,333、5,532,404、5,540,868、5,633,018、5,633,362、5,677,415、5,686,276、5,710,315、5,714,262、5,730,913、5,763,104、5,774,074、5,786,443、5,811,496、5,821,092、5,830,982、5,840,957、5,856,423、5,962,745、5,990,265、6,140,543、6,245,844、6,066,714、6,255,442、6,281,325和6,277,289号、EP 998 440、WO 98/57913、00/58393、01/09073、01/09069、01/34693、00/14041和01/14450，H.L.Traub，“Synthese undtextilchemische Eigenschaften des Poly-Trimethyleneterephthalats”，Dissertation Universitat Stuttgart(1994)，S.Schauhoff，“NewDevelopments in the Production of Polytrimethylene Terephthalate(PTT)”，Man-Made Fiber Year Book(1996年9月)，所有上述文献均结合在本文以作参考。可用作本发明聚酯的聚对苯二甲酸亚丙基酯可以商标“Sorona”从Delaware，Wilmington的E.I.du Pont de Nemours andCompany买到。
所述适用于本发明的聚对苯二甲酸亚丙基酯的特性粘度为0.60分升/克(dl/g)或更高，优选为至少0.70dl/g，更优选为至少0.80dl/g，最优选为至少0.90dl/g。所述特性粘度通常为大约1.5dl/g或更低，优选为1.4dl/g或更低，更优选为1.2dl/g或更低，最优选为1.1dl/g或更低。在实施本发明时特别有用的聚对苯二甲酸亚丙基酯均聚物的熔点为大约225-231℃。
可以通过如下步骤制备短纤维将聚合物纺成长丝，任选应用润滑油，拉伸长丝，卷曲长丝，应用光滑剂，松弛纤维(同时固化光滑剂)，任选向长丝应用抗静电剂，将长丝切成短纤维，将短纤维打包。
可以使用先有技术中描述的关于聚酯纤维的常规技术和设备(优选方法也描述在本文中)来实施纺丝。例如美国专利3,816,486和4,639,347号、英国专利说明书1 254 826号和JP 11-189938中所述的各种纺丝方法，所有这些皆被结合在本文中以作参考。
纺丝速度优选为600米/分钟或更大，并且通常为2500米/分钟或更小。纺丝温度通常为245℃或更高和285℃或更低，优选为275℃或更低。最优选在大约255℃实施纺丝。
喷丝头是用于传统聚酯的常规喷丝头类型，孔径、排列和数目将取决于所需的纤维和纺丝设备。
可以以常规方式用空气或先有技术中描述的其它流体(如氮气)来实施。可以使用横流、放射状、不对称或其它骤冷技术。
骤冷之后，可以通过标准技术(例如使用给油辊)施加常规的纺丝油剂。
按照优选方法，在丝束条筒(tow can)上收集熔纺长丝，然后将几个丝束条筒放在一起，由这些长丝形成一个大的丝束。此后，用常规技术优选以约50-约120码/分钟(约46-约110m/分钟)拉伸长丝。拉伸比优选为约1.25-约4，更优选1.25-2.5。可以任选使用两步拉伸工艺(参见例如美国专利号3,816,486，将其结合在本文以作参考)来实施拉伸。拉伸期间可以使用常规技术进行整理。
当制备用于纺织用途的短纤维时，优选在拉伸之后、卷曲和松弛之前对纤维进行热处理。“热处理”是指在张力下对拉伸后的纤维进行加热，对于3GT纤维，优选热处理在约85℃-约115℃的温度下进行。这通常使用加热后的辊或者饱和蒸汽进行。所述热处理工艺的作用在于建立具有沿纤维轴向优先取向的结晶度，并且由这一操作来提高纤维强度。由于对于填充用纤维应用来说，下游操作被限制为梳理和扯松并且不将纤维置于糙纱线和磨蚀性纱线纺织工艺中，因此在制备用于填充用纤维应用的短纤维时通常不需要这样一个热处理步骤。
可以使用常规机械卷曲技术。优选具有蒸汽辅助的机械短纤卷曲机，如填塞箱式。
可以使用常规技术在卷曲机上进行整理。
卷曲程度通常为8个卷曲/英寸(cpi)(3个卷曲/cm(cpc))或更多，优选10cpi(3.9cpc)或更多，并且通常为30cpi(11.8cpc)或更少，优选25cpi(9.8cpc)或更少，更优选20cpi(7.9cpc)或更少。对于填充用纤维用途，最优选卷曲程度为大约10cpi(3.9cpc)。所得的卷缩(％)是纤维特性的函数，优选为10％或更高，更优选为15％或更高，甚至更优选为20％或更高，更加优选为30％或更高，并且优选最多至40％，更优选最多至60％。
优选在卷曲之后、松弛之前应用光滑剂。在本发明中有用的光滑剂例子描述在美国专利4,725,635中，将其结合在本文以作参考。
本发明者们发现降低松弛温度对于获得最大卷缩是很关键的。“松弛”是指将长丝在不受约束的条件下加热，从而使长丝得以自由收缩。松弛是在卷曲之后、切断之前进行。通常实施松弛以除去收缩并干燥纤维。在典型的松弛机中，将纤维搁置在传送带上并经过烘箱。对本发明中有用的最低松弛温度为40℃，若温度过低，则无法在足够时间内使纤维干燥。优选松弛温度低于130℃，优选为120℃或更低，更优选105℃或更低，甚至更优选100℃或更低，更加优选低于100℃，最优选低于80℃。优选松弛温度为55℃或更高，更优选高于55℃，更加优选60℃或更高，最优选高于60℃。优选松弛时间不超过大约60分钟，更优选25分钟或更少。松弛时间必需足够长以便使纤维得到干燥并将纤维带至理想的松弛温度，理想的松弛温度取决于丝束旦尼尔的尺寸，当松弛少量(例如1,000旦尼尔(1,100分特))时，可以为几秒。在工业设置中，时间可以短至1分钟。优选长丝以50-200码/分钟(46-约183米/分钟)的速率、为时6-20分钟经过烘箱，或者以其它适于松弛和干燥纤维的速率经过烘箱。优选在松弛期间对光滑剂进行固化。
任选可在松弛之后将抗静电整理剂应用于长丝。
优选在piddler条筒中收集长丝，随后进行切断、任选固化和打包。本发明的短纤优选在松弛之后用机械切断机进行切断。
优选纤维为约0.2-约6英寸(约0.5-约15cm)，更优选约0.5-约3英寸(约1.3-约7.6cm)，最优选约1.5英寸(3.81cm)。可以优选不同的短纤长度以用于不同的最终用途。
可以在切断之后、打包之前对纤维进行固化。固化方法和时间可以变化，可以使用UV方式进行数秒，或者使用烘箱进行更长时间。优选烘箱温度为约80-约100℃。
优选短纤的强度为3.0克/旦(g/d)(2.65cN/分特)(通过用g/d值乘以0.883转化为cN/分特，这是工业标准方法)或更高，优选大于3.0g/d(2.65cN/分特)，更优选3.1g/d(2.74cN/分特)或更高，以能够在高速纺丝和梳理设备上进行加工并且对纤维无损害。通过本发明的方法可以制备最高至4.6g/d(4.1cN/分特)或更高的强度。最显著的是，这些强度可以用55％或更少并且通常为20％或更多的伸长(断裂伸长)来实现。
填充用纤维利用约0.8-约40dpf(约0.88-约44分特)的短纤。制来做填充用纤维的纤维通常为至少3dpf(3.3分特)，更优选为至少6dpf(6.6分特)。它们一般为15dpf(16.5分特)或更低，更优选9dpf(9.9分特)或更低。对于许多用途如枕头而言，优选短纤维为约6dpf(6.6分特)。
优选纤维含有至少85％重量，更优选90％重量，甚至更优选至少95％重量的聚对苯二甲酸亚丙基酯聚合物。最优选的聚合物为基本上全部含聚对苯二甲酸亚丙基酯聚合物和用于聚对苯二甲酸亚丙基酯纤维的添加剂(添加剂包括抗氧化剂、稳定剂(例如UV稳定剂)、消光剂(例如TiO2、硫化锌或氧化锌)、颜料(例如TiO2等)、阻燃剂、抗静电剂(antistat)、染料、填料(如碳酸钙)、抗菌剂、抗静电剂(antistaticagent)、荧光增白剂、补充剂、加工助剂和其它提高聚对苯二甲酸亚丙基酯的制造工艺或性能的化合物)。当使用TiO2时，优选其添加量为所述聚合物或纤维重量的至少约0.01％重量，更优选至少约0.02％重量，并且优选最多至大约5％重量，更优选最多至约3％重量，最优选最多至约2％重量。无光聚合物优选含有约2％重量，半无光聚合物优选含有约0.3％重量。
本发明的纤维是单组分纤维(由此，明确排除双组分和多组分纤维，如由两种不同类型的聚合物或两类在其各自区域具有不同特征的相同聚合物所制成的皮芯型或并列型纤维，但是不排除分散于纤维中的其它聚合物和存在的添加剂)。它们可以是实心的、中空的或多中空的。可以制备圆形或其它形状的纤维(例如八叶形、辐射形(也称为太阳)、荷叶边椭圆形、三叶形、四槽形(tetra-channel)(也称为quatra-channel)、荷叶边带形、条带形、星形放射形等)。
本发明的短纤维打算用于填充用纤维用途。优选开包，将纤维精梳-扯松或梳理-以形成网状物，使网状物交叉重叠以形成絮垫(使之能达到较高的重量和/或尺寸)，用枕头填充器或其它填充设备将絮垫填充进最终产品中。可以用普通粘合技术如喷洒(树脂)粘合法、热粘合法(低熔点)和超声波粘合法将网状物中的纤维进一步粘合在一起。任选将低粘合温度的短纤维(例如低粘合温度的聚酯)与所述纤维混合以提高粘合性。
通过本发明制造的网状物通常为约0.5-约2盎司/码2(约17-约68g/m2)。交叉重叠的絮垫可以包含约30-约1,000g/m2的纤维。
使用本发明，可以制备具有超过2GT短纤维性能的聚对苯二甲酸亚丙基酯填充用纤维，所述性能包括但不限于增强的纤维柔软性、抗挤压性、自膨松性和超强水分传递特性。本发明也涉及包含聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的填充用纤维、制备所述纤维的方法以及从所述纤维制备填充用纤维的方法。
根据本发明制备的填充用纤维可以被用于许多用途，包括衣服(如胸罩垫)、枕头、家具、保温层、盖被、过滤器、机动车(如缓冲垫)、睡袋、床垫和褥子。
优选本发明的纤维的承重体积(BL2)为0.2或更高，并且优选0.4英寸或更低。这通过在棉絮中的性能来测试。
实施例下面的实施例用来举例说明本发明，但并非用于限制本发明。除非特别指出，否则所有的份数、百分比等均以重量计。
测量和单位此处讨论的测量用传统美国纺织单位(包括旦尼尔，这是一个公制单位)来进行。为了满足在别处指定的操作，将美国单位与相应的公制单位一起公布在此。如下测定纤维的具体性能。
相对粘度相对粘度(“LRV”)是溶解在HFIP溶剂(含有100ppm 98％试剂级别硫酸的六氟异丙醇)中的聚合物的粘度。粘度测定装置是可从许多销售商(Design Scientific，Cannon等)处买到的毛细管粘度计。以厘沲计的相对粘度是测定聚合物在25℃HFIP中的4.75％重量溶液的粘度，将其与25℃纯HFIP的粘度相比而得到的。
特性粘度由Viscotek Forced Flow Viscometer Y900(Viscotek Corporation，Houston，TX)测定在19℃以0.4g/dL的浓度溶解于50/50％重量三氟乙酸/二氯甲烷中的聚酯的粘度，随后通过基于ASTM D 5225-92的自动化方法来确定特性粘度(IV)。
卷缩纤维回弹性的一种衡量是卷缩(“CTU”)，它测量在纤维中设定的第二卷曲的指定频率和幅度如何。卷缩将卷曲纤维的长度与展开纤维的长度联系起来，因此其受到卷曲幅度、卷曲频率以及卷曲的抵抗变形能力的影响。卷缩由下式计算CTU(％)＝[100(L1-L2)]/L1其中L1代表展开长度(在0.13±0.02克/旦(0.115±0.018dN/tex)的附加载荷下悬挂30秒的纤维)，L2代表卷曲长度(在第一次伸长之后，使之休息60秒，之后在无附加重量情况下悬挂的同一纤维的长度)。
承重体积本发明絮垫的承重体积通过在英斯特朗测试仪上压缩所述填充结构来测定，并在负荷条件下测定高度。在下文中称为总体积范围测量(“TBRM”)测试的这一试验如下所述进行从经过梳理的网状物切下6英寸(15.25cm)见方的正方形，将其以交叉重叠方式进行堆积直到总重量为大约20克。然后在50磅(22.7kg)的负荷下对整个面积进行压缩。(在经过2磅(0.9kg)负荷下的一个调整循环后)在负荷为0.01(Hi)和0.2(Hs)磅/平方英寸[表压](0.0007和0.014kg/cm2，68.95和1378.98Pa)时记录下絮垫堆的高度。Hi为初期高度，是对有效体积的衡量，即初期体积或填充能力；Hs为负荷下的高度，是对抵抗体积的衡量，即承重体积。如美国专利5,723,215所述，同时参考美国专利3,772,137和5,458,971(所有这些文献都被结合在本文以作参考)，BL1和BL2高度以英寸计量。BL1是在0.001psi(大约7N/m2)，BL2是在0.2psi(大约1400N/m2)。
摩擦通过短纤垫摩擦(“SPF”)法来测定摩擦。将待测定其摩擦的短纤垫夹在砝码和基座之间，砝码在短纤垫上面，基座在短纤垫下面，并将它们安装在英斯特朗1122机器(Instron Engineering Corp.，Canton，Mass.的产品)的下部十字头上。
上述短纤垫通过下述操作制备(用SACO-Lowell罗拉盖板梳理机)梳理短纤维以形成絮垫，该絮垫将被切成长4.0英寸(10.2cm)、宽2.5英寸(6.4cm)的片，其中纤维沿着絮垫的长度方向取向。将足够多的片堆积起来使短纤垫重量达到1.5g。压在短纤垫上的砝码长1.88英寸(4.78cm)、宽1.52英寸(3.86cm)、高1.46英寸(3.71cm)，重496g。与短纤垫接触的砝码和基座的表面都用砂布(粒度范围为220-240)覆盖，从而与短纤垫表面接触的是砂布。将所述短纤垫放在基座上。将砝码放在垫的中部。用尼龙单丝线连在砝码的较小的一个垂直(宽度×高度)面上，并将尼龙线绕经一个小滑轮与英斯特朗机的上部十字头相连，使其绕小滑轮形成90度卷绕角(wrap angle)。
给与英斯特朗机连接的计算机一个信号以开始试验。使英斯特朗机的下部十字头以12.5英寸/分钟(31.75cm/分钟)的速度向下移动。短纤垫、砝码和滑轮也随着被安装在下部十字头上的基座一起向下移动。随着尼龙线在不断向下移动的砝码和保持静止的上部十字头之间的伸长，其张力增加。将张力在水平方向上应用于砝码，所述水平方向是短纤垫中纤维的取向方向。最初，短纤垫内有很少移动或没有移动。通过一个测压元件检测应用于英斯特朗机上部十字头的力，当垫中的纤维开始相互移位时该力增加至一个临界水平(由于与短纤垫的接触面为砂布，在这些界面之间有很少的相对移动；基本上所有移动都来自短纤垫内纤维相互之间的移位)。所述临界力水平表明克服纤维之间的静摩擦需要什么，并将其记录下来。
通过用496g重量除以所测得的临界力值来确定摩擦系数。用八个值来计算平均SPF。这八个值通过对两个短纤垫试样各进行4次试验来获得。
枕头体积如此处所解释的，枕头体积测量不同于先前所述纤维体积测量。由低密度填充结构制备枕头，并使其经受测量其体积特性的试验。通过制造交叉重叠网状物的絮垫来制备枕头。将所述絮垫切成适当的长度以提供符合需要的重量，并将其卷起来装进棉质枕套中，该棉质枕套平展时的尺寸为20×26英寸(50.8×66.0cm)。在实施例中所记录的填充结构的测量值为平均值。
由具备最有效体积或填充能力的填充材料制成的枕头将具有最大的中心高度。枕头在无负荷条件下的中心高度HO通过如下操作进行测定在枕头的相对角上捣压(mash)几次，并将枕头放在英斯特朗测试仪的负荷感应台上，在零负荷条件下测量其高度。所述英斯特朗测试仪装备有直径4英寸(10.2cm)的金属圆片压脚。然后使压脚向枕头的中心部位施加10磅(4.54kg)的负荷，将此时的枕头高度记录下来作为负荷高度HL。在测量实际的HO和HL之前，使枕头经受一个20磅(9.08kg)压缩和负荷释放的调整循环。HL测量时用10磅(4.5kg)的负荷，这是因为该负荷值接近枕头在实际使用条件下所承受的负荷。具有最高HL值的枕头对变形最具抵抗性，并由此可提供最大的承重体积。
通过使填充结构经受压缩和负荷释放的重复循环来测试体积持久性。这种对枕头进行的重复循环或者说作用通过如下操作进行将枕头放在与两对4×12英寸(10.2×30.5cm)空气驱动工作脚相连的转台上，所述工作脚被安装在转台上，尽量使基本上枕头的所有填充物在一个旋转期间都受到压缩和释放。压缩是通过用80磅/平方英寸[表压](552kPa)的空气压力驱动工作脚来实现的，从而当与转台接触时，它们产生大约125磅(56.6kg)的静负荷。转台的旋转速度为1转/110秒，各工作脚每分钟压缩和释放填充材料17次。经过一段特定时间的重复压缩后，通过在枕头的相对角上捣压几次将其再抖松。如前所述使枕头经受调整循环，测定HO和HL值。
对照实施例1本对照实施例以用典型的2GT条件加工聚对苯二甲酸亚乙基酯(“2GT”)为基础。在297℃通过144孔喷丝头、约16pph(7kg/h)以传统方式熔融挤出21.6LRV薄片(纺丝速度为大约748ypm(684mpm))，并进行整理，在纱管上收集纱线，从而制得单丝旦数为6(6.6分特)的圆形中空2GT纤维。将收集在所述纱管上的纱线合并成一个丝束，在主要为水的浴中用两步法拉伸(参见例如美国专利3,816,486号)以常规方式在约100ypm(91mpm)对所述丝束进行拉伸(含稀释整理)。第一拉伸步骤在45℃的浴中将纤维拉伸大约1.5倍。接下来的大约2.2倍的拉伸在98℃的浴中进行。然后以常规方式用传统机械短纤卷曲机在蒸汽辅助下对纤维进行卷曲。用两种不同的卷曲度和两种不同的蒸汽含量卷曲纤维。然后在180℃以常规方式使纤维松弛。卷曲之后测量卷缩(“CTU”)，结果列在表1中。
表1-180℃松弛温度对2GT的影响
实施例1(对照-高温松弛机条件)本实施例说明当用高松弛温度制备短纤维时，由3GT制成的短纤维具有明显比2GT短纤维差的质量。除了由于与2GT的熔点不同，因而在265℃挤出3GT纤维外，采用与对照实施例相同的加工条件制造单丝旦数为6(6.6分特)的圆形中空3GT纤维。第一拉伸步骤使纤维伸长大约1.2倍。卷曲之后测量3GT纤维的卷缩，结果列在表2中。
表2-180℃松弛温度对3GT的影响
比较表1和表2的结果，可以容易地看出在近似的短纤加工条件下，在高松弛温度制得的3GT纤维具有低得多的卷曲保持性，这将导致承重体积减小。此外，3GT纤维具有降低的机械强度。这些特性对于填充用纤维应用是必需的，因此使得上述3GT结果通常勉强够格或者说不令人满意。
对照实施例2本对照实施例以使用本发明的用于3GT的加工条件加工2GT为基础。
在本实施例中，通过363孔喷丝头、约92pph(42kg/h)在280℃以及约900ypm(823mpm)的纺丝速度以传统方式纺丝制得单丝旦数约为6(6.6分特)的2GT纤维，并将它们收集在纱管上。将收集在所述纱管上的纱线合并成一个丝束，在主要为水的浴中，用两步法拉伸以常规方式在约100ypm(91mpm)对所述丝束进行拉伸。第一拉伸步骤在40℃的浴中将纤维拉伸大约3.6倍。接下来大约1.1倍的拉伸在75℃的浴中进行。然后以常规方式用传统机械短纤卷曲机在蒸汽辅助下对纤维进行卷曲。用大约15psi(103kPa)的蒸汽将纤维卷曲至大约12cpi(5c/cm)。然后在几个温度下以常规方式使纤维松弛。卷曲之后测量卷缩，结果列在表3中。
表3-低松弛温度对12cpi(5c/cm)的2GT的影响
2GT显示出当以提高的松弛温度下的卷缩来测量回弹性时，回弹性仅有轻微的降低。
实施例2在本实施例中，通过144孔喷丝头、约14pph(6kg/h)在265℃以传统方式熔融挤出薄片(纺丝速度为大约550ypm(503mpm))，并进行整理，在纱管上收集纱线，从而制得单丝旦数为4.0(4.4分特)的圆形3GT纤维。将纱线合并成一个丝束，在主要为水的浴中，用两步法拉伸以常规方式在约100ypm(91mpm)对所述丝束进行拉伸。第一拉伸步骤在45℃的主要为水的浴中将纤维拉伸大约3.6倍。接下来大约1.1倍的拉伸在75℃或98℃的浴中进行。然后以常规方式用传统机械短纤卷曲机在蒸汽辅助下对纤维进行卷曲。用大约15psi(103kPa)的蒸汽将纤维卷曲至大约12cpi(5c/cm)。然后在几个温度下以常规方式使纤维松弛。卷曲之后测量卷缩，结果列在下表4中。
表4-低松弛温度对12cpi(5c/cm)的3GT的影响
通过卷缩测定并且列在表4中的3GT的回弹性随松弛温度的升高快速降低。这一表现意外地不同于表3中所示2GT的表现，2GT随松弛温度的升高其回弹性仅稍微降低。这一令人吃惊的结果甚至在对第二拉伸步骤使用98℃的浴温时仍然重复出现，如表4所示。本实施例还显示依照本发明的更优选的松弛温度制得的3GT纤维具有超过2GT纤维的更优良特性。
实施例3本发明证明了当改变单丝旦数时所发现的另一个令人吃惊的关于本发明3GT纤维的相关性。以类似于前述实施例的方式制造不同旦数和横截面的3GT纤维。用下表5中所列的结果衡量纤维的回复性即卷缩。用硅氧烷光滑剂(slickener)处理纤维，如美国专利4,725,635号(其被结合在本文中以作参考)中所述，当从丝束中除去水分后保持至少4分钟时，所述硅氧烷光滑剂在170℃固化。在170℃纤维的卷缩非常低。为了制造光滑的纤维，可以将短纤维在100℃保持8小时以固化硅氧烷光滑整理剂(slickener finish)。
表5-单丝旦数对3GT的影响
如表5所示，单丝的旦数对从压缩回复具有直接的影响。随着旦尼尔增加，回复即卷缩也随之增加。对2GT的类似试验显示旦尼尔的改变对回复只有很小影响。这一意外的结果在图1中得到更好的说明。图1绘制出了三种不同类型纤维的的卷缩相对于单丝旦数的关系。纤维B是根据本发明制得的纤维，详见表5。从图1可以看出，对于2GT纤维，随着单丝旦数增加，回复有少量或没有变化。另一方面，对于本发明的3GT纤维，随着单丝旦数增加，回复呈线性增加。
实施例4本实施例阐述对于在一系列加工条件下制得的中等旦尼尔圆形截面短纤维的本发明优选实施方案。
将特性粘度(IV)1.04的聚对苯二甲酸亚丙基酯用被加热至175℃的惰性气体干燥，然后通过设计用来赋予圆截面的741孔喷丝头将其熔纺成未拉伸短纤丝束。将纺丝箱体(spin block)和传输管线温度保持在254℃。在喷丝头的出口处，通过常规横流空气使丝条骤冷。将纺丝油剂应用于被骤冷的丝束，并以1400码/分钟(1280米/分钟)的速度卷绕。测定在该步骤收集的未拉伸丝束，其为5.42dpf(5.96分特)，断裂伸长为238％，强度为1.93g/旦(1.7cN/分特)。将上述丝束产品如下所述拉伸、卷曲和松弛。
实施例4A用两步拉伸-松弛工序加工该丝束。将第一辊和最后一辊之间的总拉伸比设定在2.10，通过两步拉伸法拉伸丝束产品。在该两步法中，在第一步骤时在室温下进行总拉伸的80-90％，然后在将纤维浸没于设定在90-100℃的常压蒸汽中的同时进行剩下的10-20％的拉伸。在将丝束送入常规填塞箱式卷曲机的同时连续保持丝束线的张力。在卷曲加工期间还将常压蒸汽应用于丝束带。卷曲之后，使丝束带在加热至56℃的履带式烘箱中进行松弛，在烘箱内的停留时间为6分钟。将所得的丝束切成具有3.17dpf(3.49分特)的短纤维。虽然如上所述将拉伸比设定在2.10，但是未拉伸丝束(5.42dpf)到最终短纤形态(3.17dpf)的旦尼尔数的减少建议实际工艺的拉伸比为1.71。这一差别是由卷曲和松弛机步骤期间纤维的收缩和松弛所引起的。短纤材料的断裂伸长为87％，纤维强度为3.22g/旦(2.84cN/分特)。纤维的卷缩为32％，具有10个卷曲/英寸(3.9个卷曲/cm)。
实施4B用一步拉伸-松弛工序加工该丝束。除进行下述修改外，对所述丝束产品进行与实施例4A类似的处理。在将纤维浸没于90-100℃的常压蒸汽中的同时，在一个单一步骤中进行拉伸工艺。测定所得短纤维，其为3.21dpf(3.53分特)，断裂伸长为88％，纤维强度为3.03g/旦(2.7cN/分特)。纤维的卷缩为32％，具有10个卷曲/英寸(3.9个卷曲/cm)。
实施例4C用两步拉伸-热处理-松弛工序加工所述丝束。除了在拉伸加工的第二步骤中用被加热至65℃的水喷淋代替常压蒸汽，并且在进入卷曲步骤之前将丝束在张力下、110℃、一系列被加热的辊上进行热处理外，对丝束产品进行与实施例4A类似的拉伸加工。将松弛机烘箱设定在55℃。测定所得短纤维，其为3.28dpf(3.61分特)，断裂伸长为86％，纤维强度为3.10g/旦(2.74cN/分特)。纤维的卷缩为32％，具有10个卷曲/英寸(3.9个卷曲/cm)。
实施例4D用两步拉伸-热处理-松弛工序加工所述丝束。除进行下述修改外，对丝束产品进行与实施例4C类似的拉伸加工。总拉伸比设定为2.52。热处理温度设定为95℃，松弛机烘箱设定为65℃。测定所得短纤维，其为2.62dpf(2.88分特)，断裂伸长为67％，纤维强度为3.90g/旦(3.44cN/分特)。纤维的卷缩为31％，具有13个卷曲/英寸(5.1个卷曲/cm)。
实施例5本实施例阐述本发明填充用纤维的优异性能。使用3GT聚合物通过与实施例2近似的方式制造圆形1-空腔纤维，并通过填塞箱式机械卷曲机对其进行卷曲。向所述纤维提供大约为纤维重量的0.30％的硅氧烷涂层以提高扯松的絮垫的美观。如实施例3一样进行硅氧烷涂层的固化。分析絮垫的抵抗体积，作为负荷偏转或柔软性的衡量，即上述的Hs。其它被测量的特性包括衡量摩擦特性或光滑性的短纤垫摩擦指数(SPF)、衡量压缩回复行为的卷缩(CTU)。分析结果列在表6中。
表6-3GT的填充用纤维特性
对买来的2GT纤维进行类似的常规硅氧烷涂布。然后比较本发明纤维与购买的纤维的负荷偏转和摩擦特性。发现3GT比用类似技术制造的作为对比的2GT纤维柔软得多(即较低的负荷偏转)、光滑得多(即较小的摩擦指数)。图2是表示本发明纤维与购买来的纤维的摩擦指数相对于负荷偏转的图。图3是图2所示纤维的回复特性相对于负荷偏转的图。
图2和图3一起说明本发明的3GT纤维超过常规2GT纤维的优点。最重要的一点是这样一个事实，即虽然3GT纤维具有较低的摩擦和承重性，但是它们仍然保留着高度的回复性。更具体地说，注意到3GT纤维的承重和摩擦特性比购买的2GT纤维所提供的承重和摩擦特性低得多(参见图2)。但是，3GT纤维的回复性与2GT纤维一样高或比2GT纤维更高(参见图3)。
在低承重和低摩擦区域不存在2GT纤维的一个重要原因在于这类纤维还具有低卷缩。通常，不会用常规填充用纤维加工设备来将这类纤维工业加工成最终使用的产品。普遍使用的传统填充用纤维加工设备包括用于制造用来填装入最终用途产品的絮垫的扯松机、通常用于将纺织短纤维加工成条子的梳理机。这类传统填充用纤维加工设备使短纤维取向并产生三维结构。如本领域所知，这样的机器依靠纤维的某些“弹性”以进行适当操作。换个说法，即是如果卷缩太低，则第一汽缸将被堵塞，生产将停止。
不像以前的合成纤维，本发明的3GT纤维具有良好柔软性和低摩擦与高回复性的结合。纤维特性的这种结合导致用传统填充用纤维加工设备进行的工业上可接受的加工。而且，最终用途产品具有超过由2GT制成的产品的优异性能，如下面的实施例所示。
实施例6将3GT短纤维扯松并重叠成絮垫，然后将絮垫装填充进枕头。一个枕头用本发明的新纤维装填，另一个用传统的2GT纤维装填。将枕头压缩以测试纤维在最终应用中的承重性能。图示压缩力与压缩深度之间关系的压缩曲线如图4所示。压缩曲线表明在高达10磅负荷的压缩内，用新纤维即3GT制成的枕头比标准枕头更易压缩。这一压缩性能被枕头使用者认为是柔软的枕头。另一方面，压缩负荷超过10磅后，3GT枕头仍然保持一些其承重特性，避免像买来的枕头那样下陷，这被使用者评价为是更舒服的枕头。
本发明的实施方案的上述公开是为了说明和描述。并未全部阐述各种形态或者说把本发明限定于确定的形态。对于本领域技术人员而言，从上述公开可知，可以对所述实施方案进行许多变动和修正。本发明的范围仅由所附权利要求书及其等价物限定。


本发明涉及包含聚对苯二甲酸亚丙基酯卷曲短纤维的网状物或絮垫以及包含这种网状物和絮垫的填充用纤维产品，还涉及制造所述短纤维、网状物、絮垫和填充用纤维产品的方法。根据制备包含聚对苯二甲酸亚丙基酯短纤维的网状物或絮垫的优选方法，包括在245－285℃的温度下将聚对苯二甲酸亚丙基酯熔纺成长丝。将长丝骤冷、拉伸和机械卷曲至8－30个卷曲/英寸(3－12个卷曲/cm)的卷曲水平。在50－130℃的温度下对卷曲后的长丝进行松弛，然后将其切成长度约0.2－6英寸(约0.5－约15cm)的短纤维。将所述短纤维扯松或梳理以形成网状物并任选将网状物交叉重叠以形成絮垫。用所述网状物或絮垫制备填充用纤维产品。